0元圖解構造第二季
“第十講"
被動節能建築以及采光設計
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建築構造是指建築物各組成部分基於科學原理的材料選用及其做法，研究建築物各組成部分的構造原理和構造方法，是建築設計中綜合解決技術問題及進行施工圖設計繪制的依據。
其實建築構造就是對建築進行“解剖”，研究這些構配件及其細部構造的合理性和經濟性，更有效地滿足建築使用功能的理論。很多同學在建築設計時，很難深入下去，就是因為建築技術知識的缺失。建築構造技術是一種從細部著手，更為客觀、理性和深入的設計思維方式，比如鼎鼎大名的《DETAIL》雜志就是以建築技術著稱，雜志提供瞭豐富細部信息參考、具體的構造設計技巧和優秀的細部特質， 是每個成熟建築師必讀的刊物。
學習建築構造的重要性不言而喻。誠然王澍老師曾說：“建造和設計的教育並不應該是割裂開來的”，然而面對幹澀的教材，卻常不能得門而入，望而卻步；面對厚厚的圖集，也隻是麻木的臨摹與記憶，不得圖之重點；面對一條條規范，隻覺得的繁瑣冗雜，不得其要，人雲亦雲…..
前言：
住房和城鄉建設部印發《“十四五”建築節能與綠色建築發展規劃》明確，到2025年，城鎮新建建築全面建成綠色建築，建築能源利用效率穩步提升，建築用能結構逐步優化，建築能耗和碳排放增長趨勢得到有效控制，基本形成綠色、低碳、循環的建設發展方式，為城鄉建設領域2030年前碳達峰奠定堅實基礎。
節能建築設計是現代建築學發展的動因之一，可持續性與生態思想日益成為現代建築思潮的組成部分，而其中節能與資源的有序利用是必不可少的研究對象。因此，建築師在建築設計領域應充分尊重能源的有效利用，挖掘通過建築設計手段達到提高能源利用效率，節能建築成為建築學中關於環境保護，建築可持續發展的首要設計問題。
本講將通過幾個案例帶大傢瞭解節能建築與建築中的采光設計。
NO.1 節能建築概述a.基本概念節能建築：是探求以滿足建築熱環境和保護人居環境為目的，通過建築設計手段改變建築圍護結構的熱工性能，充分利用非常規能源，使建築達到可持續發展的應用研究科學。（強調整合技術，全過程的節能概念，建築師的主導參與）綠色建築：是在建築的全壽命周期內，最大限度地節約資源、保護環境和減少污染，為人們提供健康適用的使用空間，與自然和諧共生的建築。健康建築：是指在滿足建築功能的基礎上，為人們提供更加健康的環境、設施和服務，促進人們身心健康、實現健康性能提升的建築。
b.節能要素節能三要素：采集、儲存（熱儲存、冷儲存）、釋放現代節能要求（四節一環保）：節能、節地、節水、節材、環保。
c.再生能源再生能源：包括太陽能、地熱能、沼氣能、潮汐能、風能（待開發）等。
NO.2 節能建築的日照調節① 雲南地區“幹闌式”；② 南方“冷巷”；③ 沿街而設“騎樓”；④ “雙層屋面”整體式遮陽系統；⑤ “大進深”民居形式；⑥ 窗洞的“深遮陽”。
NO.3 節能建築的構造設計a. 保溫節能設計保溫節能的5種形式：外保溫法、中間保溫法、內保溫法、空氣間層法、新型建材。一般采用外保溫，當房間間歇使用空調，如影劇院，用內保溫 （見物理）
b. 隔熱節能設計1）隔熱材料種類：① 填充類：玻璃棉、巖棉、稻桿、膨脹石粒、矽藻土② 板塊類：石棉隔熱板、苯板③ 熱反射類：鋁箔2）空氣層的隔熱效果（結合物理熱工學）：① 原理：降低傳熱達到隔熱的目的。② 空氣層厚度：空氣層厚度達到1cm（物理4cm）以上，再增加厚度，熱阻幾乎不變。一個厚的空氣間層不如幾個薄的空氣間層。③ 熱流方向：對於水平構件而言設空氣間層對隔熱是有效的，而對保溫幾乎沒有作用。④ 空氣間層的密閉程度⑤ 兩側表面的光潔度：在高溫側貼鋁箔，可以大大提高墻體隔熱性能。c.新型墻體和建築節能目前運用於節能建築的新型墻體材料主要有：加氣混凝土砌塊、混凝土小型空心砌塊、陶粒空心砌塊、粘土空心磚和多孔磚粘土空心磚和多孔磚：與普通粘土磚相似，以減輕磚自重和減少用土量，經焙燒而成，是目前禁止使用普通粘土磚的過渡材料。可代替普通粘土磚用於墻體工程，但防潮層以下墻體不可使用。
NO.4 節能建築的太陽能應用a.建築太陽輻射得熱情況：屋頂＞南墻＞東西墻（夏：西＞東，冬：東＞西）＞北墻
b.被動式太陽能建築設計：通過建築朝向和周圍環境的合理佈置，內部空間和外部形體色彩的巧妙設計，以及建築材料的組合，構造措施恰當，並采取一些與建築構配件密切結合的太陽能采集、保持、貯藏和輻射分佈的裝置，從而解決冬季采暖與夏季通風的問題 。種類：直接受益式、對流環路式、蓄熱墻式、附加日光間。
NO.5 案例分分享1、 楊經文自宅在楊經文自宅中，充分體現出楊經文的設計原則——在世界能源日趨緊張的狀態下，采用通風、對流、遮蔭、綠化，反射玻璃等方法，創造建築物內部和外部的雙重氣候，並建造適應外部環境的被動式的低能耗的建築。為瞭進一步增強風對室內環境的影響。
遊泳池的作用就是作為一個溫度調節器來控制吹過水池上空的微風的溫度。利用遊泳池來調節吹進屋子裡的風的溫度與濕度。通過與水池上空的熱量交換，吹進室內的風白天帶走室內熱量;晚上則補充室內的熱量。
屋頂上設置瞭固定的遮陽格片根據太陽從東到西各季節運行的軌跡，將格片做成不同的角度，以控制不同季節和時間陽光進入的多少。
2、 龍湖超低能耗建築主題館考慮到被動房對供暖能耗的限制和對保溫的要求，結合“消隱於環境”的設計初衷，將建築北側壓低到景觀土坡裡，與場地改造後的微地形連為一體，讓北立面消失，這樣的設計，不僅大大減少瞭傳統北立面外墻的散發的熱量，而且還利用瞭土壤的保溫功能。
景觀土坡為人們打造瞭優美的室外活動空間，模糊瞭室內和室外，一層和二層，人工環境與自然環境之間的界線。
在建築內部的中心位置，設計師利用頂部的天窗和植物，將室外的景觀自然地過渡到室內，給人們一個舒適的學習和休憩的空間。
南側是建築收集陽光的重要來源，為瞭能在冬天也最大限度地利用到太陽的輻射熱，全玻璃幕墻被應用在南側墻面的設計上。
在冬天，陽光透過幕墻，建築就變成瞭一個溫室；在夏天，幕墻外由計算機控制的遮陽系統可以根據不同時段的太陽高度角隨時調整自身的角度，做到百分之百的遮陽。
而中庭頂部的天窗則是晝夜平衡的調蓄口，白天引入陽光，夜間通風散熱；新風系統也借助瞭室內空間形態，由北側走廊和中庭臺階側面等低處送新風，在使用過程中逐漸升溫、往上空走，最終從室內南側最高處回風，利用基本的熱壓原理形成室內風環境的組織。
3、 法蘭克福商業銀行諾曼·福斯特，“高技派”的代表人物，第21屆普利策建築大獎得主，特別強調人類與自然的共同存在，提倡那些適合人類生活形態需要的建築方式。他所設計的法蘭克福商業銀行大樓（Commerzbank Tower）具有“生態之塔”、“帶有空中花園的能量攪拌器”的美稱。
法蘭克福銀行的結構設計屬於巨型結構，也叫作超級框架結構。建築平面為邊長為60米的等邊三角形，三角形平面又能最大限度地接納陽光，創造良好的視野，同時又可減少對北鄰建築的遮擋。整座大廈除非在極少數的嚴寒或酷暑天氣中，全部采用自然通風和溫度調節，將運行能耗降到最低，同時也最大程度地減少瞭空氣調節設備對大氣的污染。
49層高的塔樓中間圍合出的三角形中庭，如同一個大煙囪。多個空中花園分佈在三個方向、不同標高上，成為“煙囪”的進、出風口，有效地組織瞭辦公空間自然通風。
福斯特將返璞歸真的理念體現在有意識地將高層建築窗戶的設計近乎敞開，使樓房因自然空氣通風系統的運作而能夠"呼吸"，讓人領略微風拂面的涼爽。中庭共享空間和不同高度的空中花園，在呆板的寫字樓裡創出一個自然化的植物群落。
NO.6 采光設計概述a.采光系數標準值采光標準將視覺工作分成Ⅰ~ Ⅴ級，提出各級視覺工作要求的室外天然光臨界值臨界照度：室內需要全部開啟人工照明時的室外天然光照度設計照度：室內全部利用天然光時的室外天然光最低照度（建築采光設計標準2013）0<需要人工照明的室外照度<臨界照度<可部分利用天然采光的室外照度< 設計照度<可完全利用天然光的室外照度
b,光氣候區光氣候區分5類，北京屬於Ⅲ類光氣候區，上海屬於Ⅳ類光氣候區。
c.采光質量影響采光質量的因素：采光均勻度、窗眩光、光反射比。光的方向性①采光均勻度定義：在假定水平面上的采光系數的最低值與平均值之比；或者是室內照度最低值與室內照度平均值之比假定水平面：工業建築離地面1m處，民用建築離地面0.8m處頂部采光時：Ⅰ~ Ⅳ級采光等級的采光均勻度≥0.7②窗眩光（減小措施）作業區減少或者避免直射陽光照射（降低亮度）可采用室內外遮擋設施降低窗亮度（降低亮度）或減小對天空的視看立體角（大小）不宜以明亮的窗口作為視看背景（減小亮度對比）宜將窗結構的內表面或窗周圍的內墻面做成淺色飾面（減小亮度對比）③光反射比ρ室內表面材料光反射比ρ值越高，室內越明亮；ρ值越小，照明量相應要增加。亮度直接反應人的主觀感覺。照度一定時，物體的反射率（反射系數）越大，亮度越高ρ值不是越高越好，在不同場合下，有不同的適宜范圍。④光的方向性在進行采光設計時，為提高采光質量，要註意光的方向性，並避免對工作產生遮擋和不利的影響。（例：教室的光線主要從左側照射）
NO.7 教室美術館采光設計
NO.8 案例分享1、 金貝爾美術館“金貝爾美術館是康對光的獻禮——《靜謐於光明》”
路易斯康(LouisI.Kahn)是愛沙尼亞裔猶太人美國建築師、教育傢、哲學傢，是 20 世紀最傑出的建築師之一，費城學派的創始人。
在金貝爾美術館中，自然光源的引入，對於整個美術館的室內空間來說十分重要。美術館的主入口和畫廊空間被安排在二層，屋頂是畫廊空間自然光的主要來源。光線通過安裝在弧形屋頂高點上的一系列3米長的條形天窗進入室內。
照明工程師理查德·凱利（Richard Kelly）利用計算機設計深化瞭弧形鋁質反光板，以作為間接照明所需要的反射面。經過計算的穿孔鋁板、不透光的鋁板和人工照明燈具都可以安裝在這個弧形的系統之上，並視需求以不同配置應用在畫廊、大廳空間以及餐廳之中。這個系統為金貝爾美術館帶來瞭銀色的光芒，使美術館的內部空間帶著一種空靈的氣質。
在擺線拱頂下短邊需要實墻的地方，康使用瞭玻璃來處理混凝土梁和不承重的實墻間相接處的節點問題，寬度不一的狹小玻璃縫隙，不會引入直射的自然光，但給身處沒有窗戶的畫廊中的觀者，提供瞭另外一個和天空接觸的界面。
2、 二裡頭夏都遺址博物館二裡頭夏都遺址博物館坐落於二裡頭遺址西南約500米的農田之中，緊鄰公路，交通便捷，地勢平坦，視野開闊。據說，博物館的外觀源自於二裡頭考古發掘的現場照片，曲折蜿蜒的考古探方呈現著不規則的延伸狀態，逐漸揭示著這座古代文化遺址隱藏的內在密碼，這種狀態非常符合二裡頭遺址本身的特質。
入口內庭是帶有柱廊並略成凸形的觀眾入口等候區，這與二裡頭遺址的官室型制有明確的呼應。席廳是帶有項光、十字通計的問訊導覽區，中央大廳以爵形的交通內核警托起巨大的天窗屋蓋，帶有長向坡道的尾廳則是通往二層展覽序列的中轉權紐。受到“"大都無城”的啟示，博物館以中央大廳為內核向四周空間強力輻射，且在空間的連接方式上，不甘於受到南北串聯所暗示的中軸序列的約束，將入口內庭、序廳、中央大廳到尾廳以非對稱的方式組織在一起。在這個博物館采光設計中，可以看到不同的開窗方式創造的光影效果對室內空間氛圍的影響。
3、日光建築獎5月16日是聯合國科教文組織認定的國際光日（International Day of Light），自1980年起，每年的這一天都會頒一個給陽光的建築獎——日光獎（The Daylight Award）。
日光獎僅有兩個獎項：日光建築獎（Daylight in Architecture）和日光研究獎（Daylight Research），專門表彰建築領域對日光的研究和利用，在如今門類眾多的建築類獎項中獨樹一幟。
2022年日光建築獎的獲獎者是兩位愛爾蘭建築師伊凡娜·法瑞爾（Yvonne Farrell）和雪莉·麥克納馬拉（Shelley McNamara），兩人同時也是2020年的普利茲克獎得主。
他們利用自然光來區分和闡明不同重要性、功能目的和體驗氛圍的空間。他們將日光從垂直和水平方向引導到厚重而有層次的建築體中的技巧是非常瞭不起的。在Grafton Architects的項目中，自然光是一種輕松、大方而平靜的存在。”
END